Джерело струму, батареї, акумулятор - що це таке

Радіоприймачі або підсилювачі низької частоти, з роботою яких ти будеш знайомитися в ході практикумів, телевізори, магнітофони, звуковідтворююча апаратура в кінотеатрах і багато інших радіотехнічні пристрої працюють за рахунок споживання електричної енергії з електроосвітлювальної мережі та від батареї гальванічних елементів або акумуляторів. Тільки найпростіші Приймачі - детекторні - не вимагають додаткових джерел струму і працюють завдяки «виловлювання» з простору енергії радіохвиль, що випромінюється антенами радіомовних станцій. Але щоб передавачі цих станцій могли випромінювати радіохвилі, вони повинні безперервно споживати енергію електричного струму. Коротше кажучи, джерело струму є невід'ємною частиною радіотехнічного пристрою. Саме тому твій перший практикум на шляху знайомства з радіотехнікою і буде присвячений джерел струму.

Ти, сподіваюся, вже знаєш з шкільного курсу фізики або популярної літератури з електротехніки, що розрізняють постійний струм і струм змінний. При постійному струмі носії електричних зарядів (електрони) а провіднику, наприклад в відрізку проводу, включеному в електричний ланцюг, або в нитки лампочки розжарювання, рухаються весь час в одному напрямку. Джерелами постійного струму можуть бути, наприклад, батареї 3336Л (їх часто по-старому називають КБС) - ті, що живлять лампочки плоских кишенькових ліхтарів.

При змінному ж струмі електрони в провіднику або в тій же нитки напруження лампочки рухаються поперемінно то в одну, то в іншу сторону.

У електроосвітлювальної мережі, яка живить побутові електроприлади, лампові або транзисторні приймачі та телевізори, ток змінює свій напрямок з частотою 50 Гц (герц - основна одиниця виміру частоти: 1 Гц - одне повне коливання в секунду). При такому струмі електрони в провіднику 50 раз в секунду рухаються в одному напрямку і стільки ж раз в зворотному. У антенах передавачів, випромінюючих енергію радіохвиль, частота живлять їх змінних струмів становить сотні кілогерц (1 кГц = 1000 Гц) і навіть десятки мегагерц (1 МГц = 1 000000 Гц або 1000 кГц).

Електричний струм характеризують напругою, вимірюваним в вольтах (В), і силою, ізмеряембй в амперах (А). Вимірюють ці основні електричні параметри вольтметрами і амперметрами. В електричних ланцюгах приймачів і. підсилювачів протікають струми, частіше за все не перевищують декількох десятків міліампер (1 мА = 0,001 А). Тому для вимірювання струмів ти будеш користуватися головним чином миллиамперметром або навіть мікроамперметром (1 мкА = 0,001 мА).

Для вимірювання напруг, струмів, опорів ділянок ланцюгів радіоаматорам найчастіше потрібні АВО-метри. Так називають електровимірювальні прилади, який поєднує в собі амперметр, міліамперметр, вольтметр і омметр. Можна, наприклад, користуватися авометром «Шкільний». Втім, авометр може бути і саморобним, про що ти дізнаєшся в наступному практикумі.

Для дослідів, що ілюструють принцип дії і властивості напівпровідникових діодів і транзисторів, для харчування твоїх перших транзисторних підсилювачів і приймачів потрібні гальванічні елементи 332, 343, 373 або батареї, складені з гальванічних елементів, наприклад 3336Л, «Крона» (рис. 1) або акумуляторна батарея 7Д-0,1 (цифра 7 в позначенні цієї батареї говорить про те, що вона состбіт з семи акумуляторів). Один свіжий гальванічний елемент, незалежно від його розмірів, розвиває напругу 1,5 В (заряджену акумуляторну елемент - 1,2 В); батарея 3336Л - 4,5 В; батарея «Крона» або 7Д-0,1 - 9 В. Ці напруги елементів і батарей зазвичай вказуються на етикетках-паспортах.

Іноді елементи і батареї характеризують електрорушійної силою, або скорочено ЕРС. Це теж напруга, але розвивається елементом або батареєю без навантаження, тобто без споживача струму. При підключенні до елементу навантаження, наприклад лампочки, напруга стає менше, ніж ЕРС.

Розібратися в тому, як працюють джерела постійного струму, тобі допоможуть декілька дослідів, проведення яких займе не більше одного вечора. Для дослідів потрібні абсолютно розряджена і, отже, неприродна для подальшого застосування батарея 3336Л, мідний дріт або пластинка Аїстова міді, кухонна (їдальня) сіль, трохи мідного купоросу в кристалах і, звичайно, вольтметр постійного струму (авометр) для вимірювання тиску досвідчених елементів. -

Видали з батареї паперову етикетку і захисний шар паперу (рис. 2, а) - побачиш три її елемента. Крайні елементи ізольовані від середнього смужками картону, просоченими парафіном. Зверху елементи залиті чорною мастикою (смолкою). Обережно видали її - побачиш вугільні стрижні з мідними контактними ковпачками на кінцях, які виступають з цинкових стаканчиків. Вугільні стрижні - це позитивні електроди елементів, а цинкові стаканчики - негативні.

Як з'єднані між собою елементи батареї?

Послідовно. Вугільні стрижні двох елементів з'єднані відрізками дроту з цинковими стаканчиками сусідніх елементів. До ковпачку вільного стержня і вільному стаканчику крайніх елементів припаяні бляшані пластинки, що є висновками електродів батареї. Коротка платівка - висновок позитивного електрода, довга - негативного.

На схемах негативні електроди елементів або акумуляторів позначають короткими, позитивні - довшими рисками, а поруч ставлять відповідні їм знаки: «-» і «+». Одиночний гальванічний елемент або акумулятор, що використовуються для живлення приладу або радіотехнічного пристрою, на схемах позначають латинською буквою G ( «же»), а батарею, складену з елементів або акумуляторів, буквами GB.

Розрізавши сполучні проводнічкі, щоб вилучити один елемент. Обережно разрежь по довжині його цинковий стаканчик (рис. 2, б). Відігнувши краю, побачиш мішечок, в якому знаходиться вугільний електрод. Зверни увагу на драглисту пасту, що заповнює простір між мішечком і стінками стаканчика.

Підігрій стаканчик і витягни з нього мішечок з вугільним стрижнем. Розпоріть мішечок - побачиш чорну масу. Очисти від неї вугільний стрижень.

Про призначення вугільної маси в мішечку позитивного електрода і драглистої пасти, яка відділяє мішечок від стінок стаканчика негативного електрода, дізнаєшся пізніше. Зараз же займися дослідами.

Що показує вольтметр? Постійна напруга близько 1В. Чи не відключаючи вольтметра, витягни одну з пластинок з розчину солі - стрілка вольтметра тут же повернеться до нульової позначки на шкалі. Опусти пластинку в розчин - вольтметр покаже той же напруга.

Таким чином елемент діє. Його мідна платівка є прложітель-ним електродом, цинкова - негативним, а розчин кухонної солі, в яку занурені пластинки, електролітом елемента.

Ще один експеримент. Заміни мідну пластинку вугільним стрижнем розібраного елемента батареї 3336Л. Вольтметр теж буде фіксувати напругу, тільки, можливо, дещо менше, ніж з електродом з міді, - і в, цьому випадку елемент діє, а його цинкова пластинка залишається негативним електродом.

Чи буде лампочка від кишенькового ліхтаря, підключена до такого елементу, горіти?

Ні (перевір, чи так це). Але струм через нитку лампочки буде все ж йти, у чому можна переконатися, включивши послідовно з нею міліамперметр. Струм цей надзвичайно малий - всього 2. 3 мА, а щоб нитка лампочки загострити, через неї треба пропускати приблизно в 100 разів більший струм.

При зануренні цинкової пластинки в розчин кухонної солі між ними виникає хімічна реакція, в результаті якої на цинковій пластинці утворюється надлишок електронів і вона заряджається негативно. При цьому розчин солі (тобто електроліт) і мідна пластинка по відношенню до цинкової заряджаються позитивно. В результаті між пластинками-електродами елемента виникає напруга, яке і фіксує вольтметр. Сам же вольтметр при вимірі є як би навантаженням елемента, яка споживає невеликий струм.

Якщо до електродів елемента підключити лампочку розжарювання або замкнути їх, тобто поєднати між собою, ток потече усередині елемента, через електроліт. При цьому всередині елемента починає інтенсивно виділятися водень, що покриває поверхні пластинок шаром бульбашок. Це явище називають поляризацією. Шари бульбашок водню зменшують напругу елемента. Через поляризації такий елемент не представляє практичної цінності, але завдяки своїй простоті він цікавий як демонстраційне посібник.

Практичне застосування може знайти інший варіант елемента - мідно-цинковий (рис. 4). На дно склянки поклади круглу пластинку, вирізану з листової міді, або спіраль з голою мідного дроту товщиною 1. 1,5 мм. Це - позитивний електрод елемента. На його дротяний висновок одягни гумову або полівінілхло-рідную трубочку або оберни його ізоляційною стрічкою. У цинкового стаканчика розібраного тобою сухого елемента відріж денце, а до залишився незамкнутому циліндру припаяй відрізки мідного дроту, які б утримували цей електрод в склянці і одночасно служили його висновками. Це - негативний електрод елемента.

На мідний електрод насип гіркою 20. 30 г мідного купоросу і обережно налий у склянку розчин кухонної солі, що використовується тобою для першого дослідного елемента. Через деякий час частина мідного купоросу розчиниться і утворює в нижній частині стакана шар рідини блакитно-зеленого кольору. Після цього опусти в розчин цинковий електрод так, щоб його нижній кінець не доходив до верхньої межі розчину мідного купоросу на 10. 12 мм. Закрепи його в такому положенні в склянці.

Елемент готовий. Щоб привести його в дію, треба лише замкнути його висновки на 10. 15 хв. Після цього підключи до елементу лампочку від кишенькового електричного ліхтаря. Лампочка горить. Нитка розжарювання світиться, але тьмяно. Так воно і повинно бути: нитка розжарення цієї лампочки розрахована на напругу джерела струму 2,5 В, а твій елемент розвиває напругу не більше 1 В. Виміряй це напруга вольтметром. Щоб лампочка світилася яскравіше, треба зробити три однакових елемента і з'єднати їх послідовно. Як працює такий елемент?

Принципово так само, як і перший дослідний Завдяки хімічної реакції між цинком і розчином кухонної солі цинк набуває негативний електричний заряд. При цьому утворюються бульбашки водню, які рухаються до позитивного електрода, але, не доходячи до нього, розчиняються в товщі розчину мідного купоросу. Тому поляризація не настає, і елемент працює стійко. Таким чином, розчин мідно-ного купоросу є тут деполяризатором.

Один такий елемент, незалежно від його розмірів, так-jer напруга близько 1 В. А ось сила струму, яку він може розвинути в електричному ланцюзі, повністю залежить від його розмірів: чим більший об'єм судини і площа поверхонь електродів, тим більше може бути струм , створюваний елементом в підключеної до нього навантаженні. Так, наприклад, якщо елемент з цинковим електродом діаметром 70. 75 мм зібрати в півлітрової скляній банці, від нього можна отримати струм до 200. 250 мА (0,2. 0,25 А).

Найкраще для негативних електродів підійде листової цинк (не плутати з оцинкованим залізом) товщиною 0,8. 1 мм. Чим він толще, тим елемент довше служитиме. Ці електроди кріплення на кришках банок, що захищають електроліт від пилу і сміття. Для розчину кухонної солі використовуй дистильовану або дощову воду. У зимовий час можна розтопити чистий сніг.

Елементи не можна переносити, трясти, інакше шари електроліту перемішається і елементи перестануть давати струм. Тому елементи збирай і заливай електролітом в тому місці, де вони будуть стояти нерухомо.

Блакитно-зелений шар електроліту повинен бути тільки в нижній частині банки. Не допускай, щоб його верхня межа піднімалася до цинку, інакше дію елемента погіршиться, а цинк стане швидко руйнуватися. Якщо ця межа підійде до цинку ближче, ніж на б. 10 мм, то потримай електроди замкнутими накоротко, поки кордон не опуститься до потрібного рівня. Якщо ж вона занадто знизиться, обережно кинь в елемент кілька кристаликів мідного купоросу.

На поверхню електроліту корисно пустити кілька крапель рослинного або вазелінового масла, яке утворює плівку, що запобігає випаровування електроліту. Краї банки і цинкового електрода, вистулающего над електролітом, а також висновки обох електродів бажано змастити вазеліном або салом.

Ось, власне, ті основні поради, які треба пам'ятати при складанні та експлуатації саморобних мідно-цінкозих джерел постійного струму.

Повернемося до батареї 3336Л. Розбираючи її елемент, ти, звичайно, помітив, що внутрішня поверхня його цинкового стаканчика сильно поїдена. У ньому навіть подекуди є наскрізні отвори. Здогадуєшся про причини? Так, ти маєш рацію: під час роботи елемента цинк, вступаючи в хімічну реакцію з електролітом, витрачається і руйнується.

А яка роль чорної маси в мішечку, навколишнього позитивний електрод? Це деполяризатор - спресована суміш товченого вугілля, порошку графіту і двоокису марганцю. Драглиста паста, що заповнює простір між деполяризатором і стінками стаканчика, - електроліт, який представляє собою розчин нашатирю з домішкою крохмалю або борошна.

Під час роботи гальванічного елемента, а працює він принципово так само, як і твої досвідчені елементи, що виділяється водень з'єднується з киснем, що містяться в двоокису марганцю, в результаті чого поляризація не настає.

Точно так же влаштовані і працюють елементи 332, 343, 373, тільки їх розміри і запаси енергії інші. Вони можуть служити до повного руйнування цинку негативного електрода. Зазвичай раніше виснажується і висихає електроліт, в той час як Цинк ще міг би попрацювати. Щоб переконатися в цьому, проведи такий досвід.

У одного з решти елементів розібраної батареї видали картонку, що закриває цинковий стаканчик. Підключи до електродів елемента вольтметр. Якщо елемент дійсно повністю розряджений, то стрілка вольтметра буде стояти біля нульової позначки шкали. Стежачи за стрілкою приладу, даси елемент трохи чистої води. Вже через кілька секунд вольтметр стане показувати напруга, поступово зростаюче майже до 1,5 В. Елемент «оживає»! Через одну-дві хвилини до нього можна підключити лампочку від круглого кишенькового ліхтаря, і її нитка злегка загостриться. Значить, елемент може ще попрацювати.

Так багато радіоаматори продовжують «життя», здавалося б, абсолютно непридатних гальванічних елементів і батарей. Спробуй і ти таким же способом тимчасово відновити працездатність відслужив свій термін батареї 3336Л. Цей досвід тобі знадобиться в майбутньому.

Література: Борисов В. Г. Практикум початківця радіолюбітеля.2-е изд. перераб. і доп. - М. ДОСААФ, 1984. 144 с. мул. 55К.